第2章 01宇宙观.pdf

Beijing Technology and Business University 高东明 北京工商大学材料与机械工程学院 宇宙知识与宇宙观的发展 Beijing Technology and Business University 2 宇宙科学概观 • 地球是从哪里来的？地球是从哪里来的？ • 太阳系是从哪里来的？太阳系是从哪里来的？ • 银河系是从哪里来的？银河系是从哪里来的？ • 宇宙是从哪里来的？宇宙是从哪里来的？ • 宇宙大爆炸模型宇宙大爆炸模型 • 强子对撞机强子对撞机 Beijing Technology and Business University 3 盘古开天盘古开天 Beijing Technology and Business University 4 女娲补天女娲补天 Beijing Technology and Business University 5 1.1.1人类早期的宇宙观人类早期的宇宙观 盖天说盖天说 后盖天说后盖天说 浑天说浑天说 Beijing Technology and Business University 6 • 公元2世纪，C．托勒密提出了一个完整的“地心 说”。

认为地球在宇宙的中央安然不动，月亮、太阳和 诸行星以及最外层的“恒星天”都在以不同速度 绕着地球旋转 作为神学宇宙观支柱的地心说长期占据着统治地 位在欧洲流传了1 000多年 Beijing Technology and Business University 7 1.1.2 日心说与地心说之争日心说与地心说之争 水星运动轨迹和进动水星运动轨迹和进动 Beijing Technology and Business University 8 日心说 • 哥白尼在1543年 提出“日心说” 的观点，认为太 阳位于宇宙中心 ，而地球则是一 颗沿近似圆形轨 道绕太阳公转的 普通行星 Beijing Technology and Business University 9 • 开普勒揭示了 地球和诸行星 都在椭圆轨道 上绕太阳公转 ，进一步发展 了哥白尼的日 心说 开普勒开普勒 1571－－1630 Beijing Technology and Business University 10 • 1687年，I．牛顿 提出了万有引力定 律，开创了用力学 方法研究宇宙论的 途径，深刻揭示了 行星绕太阳运动的 力学原因，并建立 了经典宇宙论，使 日心说有了牢固的 力学基础。

Beijing Technology and Business University 11 • 哥白尼日心说的革命性作用不在于强调太阳是宇 宙的中心，而是在于指出了地球在宇宙中没有任 何特殊地位，这正是宇宙论原理的精神！现在人 们把宇宙论原理称为哥白尼原理，也正是为了肯 定他的这种精神 Beijing Technology and Business University 12 1.1.3 太阳和太阳系的起源太阳和太阳系的起源 • 太阳的主要参数：太阳的主要参数： 半径半径7 7××10105 5kmkm 表面温度表面温度6 000 K6 000 K 核心温度核心温度1.51.5××10107 7K K 质量约为质量约为2 2××101033 33 g g的气体球的气体球 平均密度为平均密度为1.409 g/cm1.409 g/cm3 3 表面加速度为表面加速度为2.742.74××10104 4cm/scm/s2 2 Beijing Technology and Business University 13 太阳系：太阳系： Beijing Technology and Business University 14 太阳系的起源和太阳的形成太阳系的起源和太阳的形成 旋涡说旋涡说 碰撞说碰撞说 灾变说灾变说 俘获说俘获说 星云说星云说 Beijing Technology and Business University 15 • 按太阳系在银河系中的位置可知，太阳系的原始按太阳系在银河系中的位置可知，太阳系的原始 星云应该包含了更多的重元素，也就是说它是在星云应该包含了更多的重元素，也就是说它是在 银河系内经历了数代超新星爆发后形成的。

它是银河系内经历了数代超新星爆发后形成的它是 从低温状态，靠自引力收缩才导致温度逐渐升高从低温状态，靠自引力收缩才导致温度逐渐升高 的 Beijing Technology and Business University 16 • 大约在大约在4747亿年前，一个质量比太阳大几千倍的星亿年前，一个质量比太阳大几千倍的星 际云，当收缩到密度为际云，当收缩到密度为1010～～15 g15 g／／cmcm3 3时，内部出时，内部出 现了湍涡流，便碎裂成上千个小星云，原始星云现了湍涡流，便碎裂成上千个小星云，原始星云 就是其中之一就是其中之一 • 原始星云一面自转，一面因自引力而收缩而在原始星云一面自转，一面因自引力而收缩而在 收缩过程中，由于角动量守恒，自转角速度逐渐收缩过程中，由于角动量守恒，自转角速度逐渐 加快，惯性离心力使原始星云逐渐变扁当赤道加快，惯性离心力使原始星云逐渐变扁当赤道 处自转角速度大到惯性离心力等于中心部分对赤处自转角速度大到惯性离心力等于中心部分对赤 道处物质的引力时，赤道附近的物质便停止收缩道处物质的引力时，赤道附近的物质便停止收缩 而留在那里而留在那里 Beijing Technology and Business University 17 • 而原始星云的其他部分仍继续收缩，于是形成而原始星云的其他部分仍继续收缩，于是形成 了扁扁的、内薄外厚、连续的星云盘。

与此同了扁扁的、内薄外厚、连续的星云盘与此同 时，原始星云中心部分在收缩过程中质量变大时，原始星云中心部分在收缩过程中质量变大 ，形成了太阳，并发出辐射，形成了太阳，并发出辐射 Beijing Technology and Business University 18 太阳系中其他行星及其卫星的形成太阳系中其他行星及其卫星的形成 • 星子说星子说————我国天文学家戴文赛（我国天文学家戴文赛（19111911－－19791979）） 认为，星云内的固体微粒在聚集的同时向赤道面认为，星云内的固体微粒在聚集的同时向赤道面 沉降，在盘内形成一个比盘薄得多的“尘层”；沉降，在盘内形成一个比盘薄得多的“尘层”； 当尘层密度足够高时，便出现引力不稳定性，于当尘层密度足够高时，便出现引力不稳定性，于 是瓦解成许多粒子团；粒子团收缩形成星子是瓦解成许多粒子团；粒子团收缩形成星子 • 星子星子行星胎行星胎行星行星 Beijing Technology and Business University 19 • 地球形成过程为一百万年左右地球形成过程为一百万年左右 • 木星核为几千万年木星核为几千万年 • 天王星和海王星则需几亿年。

天王星和海王星则需几亿年 Beijing Technology and Business University 20 1.1.4 银河系与太阳系银河系与太阳系  银河系是一个由恒星和星系物质组成的巨大的银河系是一个由恒星和星系物质组成的巨大的、、 盘状系统盘状系统  是构成宇宙的亿万个星系中的一个是构成宇宙的亿万个星系中的一个，，是星系类是星系类 型中的旋涡星系一类的典型型中的旋涡星系一类的典型  它的核心周围是一个巨大的中央核球它的核心周围是一个巨大的中央核球，，并有缠并有缠 绕着它的旋臂绕着它的旋臂这些弯曲的旋臂使银河系的外这些弯曲的旋臂使银河系的外 形看上去像是一个庞大的车轮形看上去像是一个庞大的车轮旋臂均匀沉陷旋臂均匀沉陷 在银盘中在银盘中银盘是银河系的主要组成部分银盘是银河系的主要组成部分，，直直 径约径约70 000 l.y. Beijing Technology and Business University 21 从地球上看到的银河从地球上看到的银河 Beijing Technology and Business University 22 银河系银河系 Beijing Technology and Business University 23 银河系的主参数：银河系的主参数： • 质量约为质量约为1012。

• 银河系（盘）的直径约为银河系（盘）的直径约为30 kpc • 太阳距其中心的距离约为太阳距其中心的距离约为 8.5 kpc • 太阳位于银河系众多的旋臂中的一条，即猎户太阳位于银河系众多的旋臂中的一条，即猎户 臂的内侧边缘附近，距银河系中心约为银河系臂的内侧边缘附近，距银河系中心约为银河系 半径的半径的2/3距离处 • 银心（又称银核）位于人马座天区方向，和太银心（又称银核）位于人马座天区方向，和太 阳的距离约为阳的距离约为23 000l.y. 1AU＝＝1.50××1011m 1pc＝＝2.06××105AU Beijing Technology and Business University 24 • 宇观客体确实是一个难于驾驭、不可捉摸的庞 然大物，但它们的命运却受到最微小的基本粒 子的摆布如作为恒星演化的结局之一的白矮 星是由电子的简并气压所决定的，中子的简并 压强决定了中子星的质量大小，更有趣的是宇 宙的大尺度结构的基本特征是由不可能发光的 看不见的“暗物质”决定的 Beijing Technology and Business University 25 1.1.5 河外星系河外星系 • 1818世纪中叶，康德等人还提出，在整个宇宙中，世纪中叶，康德等人还提出，在整个宇宙中， 存在着无数像我们的天体系统（指银河系）那样存在着无数像我们的天体系统（指银河系）那样 的天体系统。

的天体系统 •宇宙中无数的恒星系统可形象地比喻成汪洋大宇宙中无数的恒星系统可形象地比喻成汪洋大 海中的岛屿海中的岛屿————宇宙岛 • 从银河系的构成看，除了由大量恒星组成的球状从银河系的构成看，除了由大量恒星组成的球状 星团、疏散星团、一些零散的其他恒星外，还有星团、疏散星团、一些零散的其他恒星外，还有 大量的星际物质它们也可分为三大类：亮星云大量的星际物质它们也可分为三大类：亮星云 、暗星云和它们之间的星际气体及尘埃暗星云和它们之间的星际气体及尘埃 Beijing Technology and Business University 26 •1924年，才由美国天文学家哈勃 （Hubble，1889－1953）用威尔 逊山天文台上口径为2.54m的反射 望远镜——胡克望远镜通过照相 观测，将星云的外围部分分解为 单个的恒星，在仙女座大星云的 边缘找到了被称为“量天尺”的 造父变星； • 有力地证明了这些星云是处于 哈勃哈勃（（1889－－1953）） 银河系外的天体，也像银河系一样，是一个巨大、 独立的恒星集团统称它们为“河外星系”或 “星系” 因此，仙女星云应改称为仙女星系 Beijing Technology and Business University 27 造父变星造父变星 造 父 是 中 国 古 代 星 官 之 一 ， 属 于 二 十 八 宿 的危宿。

它 位 于 现 代 星 座 划 分 的 仙 王 座 ， 含 有 5 颗 恒星 仙 女 星 系 Beijing Technology and Business University 28 蟹 状 星 云 Beijing Technology and Business University 29 1.2 宇宙大爆炸模型宇宙大爆炸模型——物理模型物理模型 1.2.1 哈勃定律与宇宙膨胀哈勃定律与宇宙膨胀 • 多普勒效应多普勒效应 • 红移红移Z=(H/c)d • 退行速度：退行速度：v＝＝Hd Beijin。